Около 2,2 миллиарда человек не имеют доступа к безопасной питьевой воде. Опреснительные установки от Калифорнии до Ближнего Востока решают эту проблему, но дорогой ценой. Обычные методы — обратный осмос и термическая дистилляция — жрут кучу энергии, требуют предварительной и последующей обработки воды, а главное — оставляют токсичный рассол (brine). Когда его сливают обратно в океан, он повышает солёность и снижает содержание кислорода, убивая морскую жизнь.
Учёные из University of Rochester предложили обходной путь. Команда профессора Чунлея Го из Института оптики (Institute of Optics) разработала солнечно-тепловой метод опреснения, который не оставляет рассола и не требует химических добавок.
В основе устройства — чёрные металлические панели, обработанные фемтосекундными лазерами. Такая обработка делает поверхность суперпоглощающей свет и супергидрофильной — вода буквально втягивается в микроканавки. Лазером вытравлена активная зона, которая тянет тонкую плёнку воды, поглощает почти всё солнечное излучение, дистиллирует воду, а соли и минералы сбрасывает на необработанные края панели («пассивная» зона). Благодаря этому соль не забивает активную поверхность, и процесс не прерывается.
Го говорит, что другие солнечные опреснители отлично работают в лаборатории с искусственной морской водой (просто хлорид натрия). Но в реальном океане состав сложнее. Соли магния и кальция кристаллизуются в виде корки, забивая панель — как накипь в чайнике, только в сотни раз агрессивнее. Чтобы этого избежать, команда Го точно рассчитала геометрию канавок, и использовала эффект кофейного кольца (coffee ring effect): как высохшая капля кофе оставляет кольцо по краям, так и их панель сдвигает соли в пассивную зону. Сама поверхность остаётся чистой.
Технологию протестировали на образцах воды из Тихого, Атлантического и Индийского океанов — панели эффективно самоочищались. Извлекается почти 100% солей в твёрдом виде, а не в виде рассола. Это может дать не только поваренную соль, но и литий для батарей электромобилей.
В сопутствующей статье в Journal of Materials Chemistry A Го и коллеги показали, как с помощью наночастиц из титаната водорода, встроенных в канавки, можно выделять литий из остальных солей. На пробах из Большого Солёного озера (Great Salt Lake) они извлекли около 50% лития.
Сейчас это прототипы малого масштаба, но профессор Го считает технологию масштабируемой — она способна улучшить доступ к питьевой воде и создать устойчивые цепочки поставок ценных минералов. Исследование поддержали National Science Foundation, Bill & Melinda Gates Foundation и Worldwide Universities Network.